DE102014221421B3

DE102014221421B3 - Verfahren zur Herstellung einer epitaktischen Halbleiterscheibe aus einkristallinem Silizium

Info

Publication number: DE102014221421B3
Application number: DE102014221421.1A
Authority: DE
Inventors: Karl Mangelberger; Walter Heuwieser; Alfred Miller
Original assignee: Siltronic AG
Current assignee: Siltronic AG
Priority date: 2014-10-22
Filing date: 2014-10-22
Publication date: 2015-12-24
Anticipated expiration: 2034-10-23

Abstract

Verfahren zur Herstellung einer epitaktischen Halbleiterscheibe aus einkristallinem Silizium, die p/p+ dotiert ist, umfassend: das Bereitstellen einer Schmelze aus Silizium; das Ziehen eines Einkristalls aus Silizium mit einer Ziehgeschwindigkeit V aus der Schmelze gemäß der CZ-Methode, wobei Sauerstoff und Bor in den Einkristall eingebaut werden und die Konzentration von Sauerstoff im Einkristall nicht weniger als 5 × 1017 Atome/cm3 und nicht mehr als 6 × 1017 Atome/cm3 beträgt und die Resistivität des Einkristalls nicht weniger als 10 mΩcm und nicht mehr als 20 mΩcm ist, und wobei auf ein Dotieren der Schmelze mit Stickstoff verzichtet wird; das Anlegen eines CUSP-Magnetfelds an die Schmelze während des Ziehens des Einkristalls aus Silizium; die Regelung der Ziehgeschwindigkeit V und eines axialen Temperaturgradienten G an der Phasengrenze zwischen dem Einkristall und der Schmelze derart, dass der Quotient V/G nicht weniger als 0,21 mm2/°C min und nicht mehr als 0,31 mm2/°C min ist; das Kühlen des aus der Schmelze gezogenen Einkristalls mit einer Abkühlrate, die in einem Temperaturbereich von 1000°C bis 800°C nicht weniger als 0,5°C/min und nicht mehr als 1,2°C/min beträgt; das Herstellen einer Substratscheibe aus einkristallinem Silizium mit einer polierten Seitenfläche durch Bearbeiten des Einkristalls aus Silizium; und das Abscheiden einer epitaktischen Schicht aus Silizium auf der polierten Seitenfläche der Substratscheibe, wobei das Abscheiden der epitaktischen Schicht die erste Wärmebehandlung ist, im Verlauf derer die Substratscheibe auf eine Temperatur von nicht weniger als 700°C erhitzt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer epitaktischen Halbleiterscheibe aus einkristallinem Silizium, die p/p⁺ dotiert ist.
Eine p/p⁺ epitaktische Halbleiterscheibe, kurz p/p⁺ Epischeibe (engl. p/p⁺ epitaxial wafer), aus einkristallinem Silizium entsteht bei der Abscheidung einer epitaktischen Schicht aus Silizium auf einer Halbleiterscheibe aus einkristallinem Silizium, die eine hohe Konzentration an Bor-Atomen enthält und nachfolgend Substratscheibe genannt wird. Solche epitaktischen Halbleiterscheiben sind nachgefragte Produkte für die Herstellung elektronischer Bauelemente. Die hochdotierte Substratscheibe bietet einen gewissen Schutz vor Latch-up, einem Effekt, mit dem die unbeabsichtigte Auslösung eines Kurzschlusses einhergeht und der die Zerstörung des elektronischen Bauelements zur Folge haben kann.
Der Bereich der Halbleiterscheibe, in dem die elektronischen Bauelemente untergebracht werden, muss vor Verunreinigung durch Metallspuren geschützt werden. Bei epitaktischen Halbleiterscheiben befindet sich dieser Bereich üblicherweise in der epitaktischen Schicht. Einen besonders wirksamen Schutz vor metallischen Verunreinigungen bilden BMDs (bulk micro defects), Präzipitate von Sauerstoff in der Substratscheibe, weil sie so genannte interne Getter darstellen, an die sich metallische Verunreinigungen bevorzugt anlagern. Die Neigung von übersättigtem Sauerstoff in hochdotiertem Silizium zu präzipitieren, ist jedoch nicht besonders ausgeprägt. BMDs wachsen aus Keimen heran, üblicherweise im Verlauf einer oder mehrerer Wärmebehandlungen, die zur Herstellung elektronischer Bauelemente notwendig sind. Es ist daher erforderlich, dass eine Epischeibe bei Auslieferung an den Hersteller elektronischer Bauelemente über genügend BMD-Keime in der Substratscheibe verfügt, damit eine hohe Dichte an BMDs entstehen kann.
Das Abscheiden der epitaktischen Schicht auf der Substratscheibe findet bei Temperaturen von über 1000°C statt. Bei solchen Temperaturen werden kleinere BMD-Keime aufgelöst, was die Bereitstellung einer ausreichenden Anzahl von BMD-Keimen in hochdotierten Substratscheiben zusätzlich erschwert.
Des Weiteren ist bei Herstellern elektronischer Bauelemente die Tendenz zu beobachten, Wärmebehandlungen zur Herstellung von elektronischen Bauelementen über kürzere Zeiträume und bei niedrigeren Temperaturen durchzuführen als früher. Diese Tendenz und die Tendenz, eine geringere Konzentration an Sauerstoff in der Substratscheibe zu verlangen als früher, machen die Bereitstellung von p/p⁺ Epischeiben, die trotzdem hohe Dichten an BMDs entwickeln können, zu einer Herausforderung.
In JP 2002-64102 wird vorgeschlagen, die Substratscheibe mit Stickstoff zu dotieren, um hohe BMD-Dichten sicherzustellen. Epischeiben mit stickstoffdotiertem Substrat sind jedoch anfällig für die Ausbildung von Defekten in der epitaktisch gewachsenen Schicht.
Gemäß JP 2003-2 786 A wird der Einkristall, von dem die Substratscheibe abgetrennt wird, mit Stickstoff dotiert und während des Ziehens des Einkristalls das Verhältnis V/G von Ziehgeschwindigkeit V und Temperaturgradienten im Einkristall G in bestimmten Grenzen gehalten.
Gemäß der Lehre von US 2002/0 179 003 A1 wird der Einkristall, von dem die Substratscheibe abgetrennt wird, mit Stickstoff und Kohlenstoff dotiert und der Einkristall während des Ziehens des Einkristalls das Verhältnis V/G derart kontrolliert, dass ausschließlich N-Gebiet entsteht.
In US 2008/0 047 485 A1 wird dargelegt, wie durch den Einsatz eines Heizers die Menge an Sauerstoff beeinflusst werden kann, die vom Tiegel an eine Schmelze aus Silizium abgegeben wird.
Es gibt auch den Vorschlag, vor der Epitaxie eine Wärmebehandlung bei einer Temperatur von nicht weniger als 800°C über einen Zeitraum von nicht weniger als 1 h durchzuführen, der BMD-Keime stabilisiert. Ein solcher Vorschlag ist beispielsweise in der EP 1 475 829 A1 und der JP 2008-150283 A2 enthalten. Die stabilisierten BMD-Keime überstehen die Epitaxie und werden nicht aufgelöst. Dieses Verfahren ist jedoch wenig attraktiv, weil wegen der Wärmebehandlung zusätzliche Kosten anfallen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine vorteilhaftere Vorgehensweise aufzuzeigen.
Gelöst wird die Aufgabe durch ein Verfahren zur Herstellung einer epitaktischen Halbleiterscheibe aus einkristallinem Silizium, die p/p⁺ dotiert ist, umfassend:
das Bereitstellen einer Schmelze aus Silizium;
das Ziehen eines Einkristalls aus Silizium mit einer Ziehgeschwindigkeit V aus der Schmelze gemäß der CZ-Methode, wobei Sauerstoff und Bor in den Einkristall eingebaut werden und die Konzentration von Sauerstoff im Einkristall nicht weniger als 5 × 10¹⁷ Atome/cm³ und nicht mehr als 6 × 10¹⁷ Atome/cm³ beträgt und die Resistivität des Einkristalls nicht weniger als 10 mΩcm und nicht mehr als 20 mΩcm ist, und wobei auf ein Dotieren der Schmelze mit Stickstoff verzichtet wird;
das Anlegen eines CUSP-Magnetfelds an die Schmelze während des Ziehens des Einkristalls aus Silizium;
die Regelung der Ziehgeschwindigkeit V und eines axialen Temperaturgradienten G an der Phasengrenze zwischen dem Einkristall und der Schmelze derart, dass der Quotient V/G nicht weniger als 0,21 mm²/°C min und nicht mehr als 0,31 mm²/°C min ist;
das Kühlen des aus der Schmelze gezogenen Einkristalls mit einer Abkühlrate, die in einem Temperaturbereich von 1000°C bis 800°C nicht weniger als 0,5°C/min und nicht mehr als 1,2°C/min beträgt;
das Herstellen einer Substratscheibe aus einkristallinem Silizium mit einer polierten Seitenfläche durch Bearbeiten des Einkristalls aus Silizium; und
das Abscheiden einer epitaktischen Schicht aus Silizium auf der polierten Seitenfläche der Substratscheibe, wobei das Abscheiden der epitaktischen Schicht die erste Wärmebehandlung ist, im Verlauf derer die Substratscheibe auf eine Temperatur von nicht weniger als 700°C erhitzt wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren kommt ohne das Dotieren der Substratscheibe mit Stickstoff aus und ohne eine Wärmebehandlung der Substratscheibe vor der Epitaxie zum Zweck der Stabilisierung von BMD-Keimen. Das gelingt, weil der Einkristall unter Bedingungen gezogen und abgekühlt wird, die die Entstehung von BMD-Keimen und deren Stabilisierung unterstützen.
Zur Stabilisierung der BMD-Keime trägt insbesondere bei, dass der Einkristall im Temperaturbereich von 1000°C bis 800°C vergleichsweise langsam abgekühlt wird. Die Abkühlrate beträgt in diesem Temperaturbereich nicht weniger als 0,5°C/min und nicht mehr als 1,2°C/min, vorzugsweise nicht weniger als 0,7°C/min und nicht mehr als 1°C/min.
Der Einkristall wird unter Bedingungen gezogen, unter denen eine vergleichsweise niedrige Konzentration an Sauerstoff und eine vergleichsweise hohe Konzentration an Bor in den Einkristall eingebaut wird. Die Konzentration an Sauerstoff beträgt nicht weniger als 5 × 10¹⁷ Atome/cm³ und nicht mehr als 6 × 10¹⁷ Atome/cm³ (new ASTM). Die Resistivität des Einkristalls beträgt nicht weniger als 10 mΩcm und nicht mehr als 20 mΩcm. Die Bor-Konzentration liegt dementsprechend näherungsweise im Bereich von 3,10 × 10¹⁸ Atome/cm³ bis 8,43 × 10¹⁸ Atome/cm³. Zum Einstellen der Bor-Konzentration im Einkristall wird die Schmelze mit Bor dotiert. Die Sauerstoff-Konzentration im Einkristall wird durch Anlegen eines CUSP-Magnetfelds an die Schmelze kontrolliert. Der Einsatz eines horizontalen Magnetfelds hat sich als nicht zufriedenstellend erwiesen, weil damit die geforderte niedrige Abkühlrate des Einkristalls im Temperaturbereich von 1000°C bis 800°C nicht erreicht werden konnte. Zur Entstehung der BMD-Keime trägt insbesondere bei, dass der Einkristall unter Bedingungen gezogen wird, die einkristallines Silizium entstehen lässt, in dem Vakanzen gegenüber interstitiellem Siliziumatomen als Punktdefekte dominieren. Die Ziehgeschwindigkeit V und der axiale Temperaturgradient G an der Phasengrenze zwischen dem Einkristall und der Schmelze werden derart geregelt, dass der Quotient V/G nicht weniger als 0,21 mm²/°C min und nicht mehr als 0,31 mm²/°C min ist. Die Variation des Quotienten V/G entlang des Radius des Einkristalls beträgt vorzugsweise nicht mehr als 15% des Mittelwerts, besonders bevorzugt nicht mehr als 10% des Mittelwerts. Der Temperaturgradient G kann insbesondere über die Konfiguration der näheren Umgebung des Einkristalls, der sogenannten hot zone, beeinflusst werden. Die Ziehgeschwindigkeit V beträgt vorzugsweise nicht weniger als 0,5 mm/min und nicht mehr als 0,55 mm/min.
Der gezogene Einkristall, der einen Durchmesser von vorzugsweise mindestens 200 mm, besonders bevorzugt mindestens 300 mm hat, wird zu Substratscheiben aus einkristallinem Silizium verarbeitet. Die Arbeitsschritte umfassen neben dem Teilen des Einkristalls in Scheiben weitere mechanische Bearbeitungsschritte wie das Läppen und/oder das Schleifen der Seitenflächen der Scheiben und das Verrunden der Kanten der Scheiben. Die Substratscheiben werden vorzugsweise auch chemisch geätzt und insbesondere chemisch-mechanisch poliert. Eine Substratscheibe weist daher eine polierte Kante und mindestens eine polierte Seitenfläche auf. Vorzugsweise werden beide Seitenflächen, also die Vorderseite und die Rückseite poliert.
Auf der polierten Seitenfläche der Substratscheibe beziehungsweise der polierten Vorderseite wird eine epitaktische Schicht aus Silizium abgeschieden. Dieser Schritt wird vorzugsweise in einem Einzelscheibenreaktor durchgeführt, beispielsweise in einem von Applied Materials angebotenen Reaktor vom Typ Centura^®. Das Abscheidegas enthält vorzugsweise ein Wasserstoff enthaltendes Silan, beispielsweise Trichlorsilan (TCS). Die Abscheidetemperatur liegt bei Verwendung von TCS in einem Temperaturbereich von vorzugsweise nicht weniger als 1000°C und nicht mehr als 1250°C. Die Dicke der epitaktischen Schicht hängt vom beabsichtigten Verwendungszweck der Epischeibe ab und beträgt vorzugsweise mindestens 1 μm. Erfindungsgemäß ist das Abscheiden der epitaktischen Schicht die erste Wärmebehandlung, bei der die Substratscheibe auf eine Temperatur von nicht weniger als 700°C erhitzt wird. Es findet vor dem Abscheiden der epitaktischen Schicht also keine Wärmebehandlung zur Nukleation von BMD-Keimen statt. Die Substratscheibe ist auch nicht absichtlich mit Stickstoff dotiert und enthält daher vorzugsweise nicht mehr als 1 × 10¹² Atome/cm³ dieses Elements.
Die entstehende Epischeibe hat trotzdem eine hohe Anzahl an BMD-Keimen, die sich zu BMDs entwickeln lassen. Nach Standard-Tests wie einer Wärmebehandlung bei einer Temperatur von 1000°C über einen Zeitraum von 16 h oder einer ersten Wärmebehandlung bei einer Temperatur von 780°C über einen Zeitraum von 3 h gefolgt von einer zweiten Wärmebehandlung bei einer Temperatur von 1000°C über einen Zeitraum von 16 h beträgt die BMD-Dichte im Bereich der Substratscheibe der Epischeibe vom Zentrum bis zum Rand der Epischeibe über eine radiale Länge von 90% des Radius nicht weniger als 1 × 10⁸ cm^–3, vorzugsweise nicht weniger als 5 × 10⁸ cm^–3. Darüber hinaus ist die Variation der BMD-Dichte entlang des Radius der Epischeibe gering. Die BMD-Dichte schwankt vom Zentrum bis zum Rand der Epischeibe über eine radiale Länge von 90% des Radius um vorzugsweise nicht mehr als 30% vom Mittelwert.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf eine Zeichnung weiter erläutert.
1 zeigt die schematische Darstellung einer besonders bevorzugten hot zone, bei der der wachsende Einkristall 1 von einem Hitzeschild 2 umgeben ist, dessen unteres Ende geringen Abstand zur Schmelze 3 hat. Weiterhin ist im Bereich des unteren Endes des Hitzeschilds 2 ein ringförmiger Heizer 4 vorhanden, durch den Wärme zum Rand der Phasengrenze zwischen dem Einkristall 1 und der Schmelze 3 zugeführt wird. Der ringförmige Heizer 4 unterstützt die Regelung des Temperaturgradienten an der Phasengrenze und ist vorzugsweise auch Bestandteil einer Regelung des Durchmessers des Einkristalls. Auf Höhe des mittleren und oberen Bereichs des Hitzeschilds 2 und mit einigem Abstand zum ringförmigen Heizer 4 umgibt den Einkristall 1 auch eine Kühleinrichtung 5, vorzugsweise ein mit Wasser gekühlter Kühler. Die Schmelze 3 befindet sich in einem Tiegel 6 aus Quarz, der wiederum von einem Stütztiegel 7 aus Graphit gestützt wird. Die Tiegel 6, 7 und die Schmelze 3 ruhen auf einem Ende einer dreh-, heb- und senkbaren Welle 8. Der Schmelze 3 wird hauptsächlich Wärme über eine Widerstandsheizung 9 zugeführt, die um den Stütztiegel 7 herum angeordnet ist. Eine Einrichtung 10 zur Erzeugung des CUSP-Magnetfelds, das an die Schmelze 3 angelegt wird, umgibt wiederum die Widerstandsheizung 9.
Beispiel (B) und Vergleichsbeispiel (V):
Es wurde ein Einkristall aus Silizium gezogen und zu Substratscheiben mit einem Durchmesser von 300 mm und polierter Seitenfläche verarbeitet. Die hot zone beim Ziehen des Einkristalls war mit den in 1 gezeigten Merkmalen ausgestattet. Maßgebliche Parameter der Ziehbedingungen (der Quotient V/G und die Abkühlrate q im Temperaturbereich von 1000°C bis 800°C) sind in Tabelle 1 zusammengefasst. Tabelle 1:

V/G [mm²/°C min] q [°C/min]

(B) 2,7 0,9
Vom Einkristall gewonnene Substratscheiben mit einer Resistiviät von 18 mΩcm und einer Sauerstoff-Konzentration von 5,25 × 10¹⁷ Atome/cm³ wurden, ohne zuvor wärmebehandelt worden zu sein, mit einer p-dotierten Epitaxieschicht aus Silizium bei einer Abscheidetemperatur von 1150°C beschichtet. Anschließend wurde das Präzipitationsverhalten der resultierenden Epischeiben getestet. Der Standardtest umfasste eine Wärmebehandlung der Epischeiben bei einer Temperatur von 1000°C über einen Zeitraum von 16 h. 2 zeigt die radiale Verteilung der Dichte BD der BMD-Defekte im Bereich der Substratscheibe einer Epischeibe nach dieser Wärmebehandlung.
Zum Vergleich wurde ein Einkristall mit annähernd gleicher Ziehgeschwindigkeit gezogen, aber bei veränderter hot zone. An Stelle eines CUSP-Magnetfelds wurde ein horizontales Magnetfeld an die Schmelze angelegt. Die maßgeblichen Parameter der Ziehbedingungen sind in Tabelle 2 zusammengefasst. Tabelle 2:

V/G [mm²/°C min] q [°C/min]

(V) 2 1,5
Die weitere Verarbeitung des Einkristalls zu Epischeiben erfolgte auf dieselbe Weise wie im vorstehend beschriebenen Beispiel, ebenso der Test des Präzipitationsverhaltens der Epischeiben. Die Substratscheiben des Vergleichs hatten eine Resistiviät von 18 mΩcm und eine Sauerstoff-Konzentration von 6,3 × 10¹⁷ Atome/cm³. Die höhere Sauerstoff-Konzentration wurde gewählt, um überhaupt eine nennenswerte BMD-Bildung zu erreichen. 3 zeigt die radiale Verteilung der Dichte BD der BMD-Defekte im Bereich der Substratscheibe einer Epischeibe des Vergleichs nach erfolgtem Standardtest. Im Gegensatz zum Beispiel gemäß 2 schwankt die BMD-Dichte deutlich über den Radius R der Epischeibe und erreicht den Zielwert von 1 × 10¹⁸ cm^–3 kaum.

Claims

Verfahren zur Herstellung einer epitaktischen Halbleiterscheibe aus einkristallinem Silizium, die p/p⁺ dotiert ist, umfassend: das Bereitstellen einer Schmelze aus Silizium; das Ziehen eines Einkristalls aus Silizium mit einer Ziehgeschwindigkeit V aus der Schmelze gemäß der CZ-Methode, wobei Sauerstoff und Bor in den Einkristall eingebaut werden und die Konzentration von Sauerstoff im Einkristall nicht weniger als 5 × 10¹⁷ Atome/cm³ und nicht mehr als 6 × 10¹⁷ Atome/cm³ beträgt und die Resistivität des Einkristalls nicht weniger als 10 mΩcm und nicht mehr als 20 mΩcm ist, und wobei auf ein Dotieren der Schmelze mit Stickstoff verzichtet wird; das Anlegen eines CUSP-Magnetfelds an die Schmelze während des Ziehens des Einkristalls aus Silizium; die Regelung der Ziehgeschwindigkeit V und eines axialen Temperaturgradienten G an der Phasengrenze zwischen dem Einkristall und der Schmelze derart, dass der Quotient V/G nicht weniger als 0,21 mm²/°C min und nicht mehr als 0,31 mm²/°C min ist; das Kühlen des aus der Schmelze gezogenen Einkristalls mit einer Abkühlrate, die in einem Temperaturbereich von 1000°C bis 800°C nicht weniger als 0,5°C/min und nicht mehr als 1,2°C/min beträgt; das Herstellen einer Substratscheibe aus einkristallinem Silizium mit einer polierten Seitenfläche durch Bearbeiten des Einkristalls aus Silizium; und das Abscheiden einer epitaktischen Schicht aus Silizium auf der polierten Seitenfläche der Substratscheibe, wobei das Abscheiden der epitaktischen Schicht die erste Wärmebehandlung ist, im Verlauf derer die Substratscheibe auf eine Temperatur von nicht weniger als 700°C erhitzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Einkristall mit einer Ziehgeschwindigkeit V gezogen wird, die nicht weniger als 0,5 mm/min und nicht mehr als 0,55 mm/min beträgt.